箱柜車箱式貨物自動(dòng)裝卸機(jī)器人設(shè)計(jì)

顧綺芳

（無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214000）

0 引言

裝卸機(jī)器人作為工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，有著廣泛的市場(chǎng)需求前景，隨著現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)物流業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)器人在貨物搬運(yùn)、分揀等作業(yè)環(huán)節(jié)得到廣泛應(yīng)用，但在貨物裝卸自動(dòng)化流程前端仍缺少自動(dòng)化裝卸設(shè)備。目前，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)研發(fā)出該類自動(dòng)化裝卸設(shè)備，并在港口和倉(cāng)儲(chǔ)的裝卸、物料搬運(yùn)等方面開始應(yīng)用，包括叉車桁架式裝卸機(jī)器人、懸臂式裝卸機(jī)器人、多節(jié)裝卸機(jī)器人等［1］。這些裝卸機(jī)器人大多體積較大且只針對(duì)開放式空間內(nèi)的貨物裝卸，對(duì)于封閉空間內(nèi)的貨物裝卸并不適用，如港口集裝箱作為貨物運(yùn)輸存儲(chǔ)的主要手段，主要還是靠叉車、輸送皮帶機(jī)配備人工作業(yè)來實(shí)現(xiàn)貨箱裝卸?；谑袌?chǎng)需求，本文研究了一種箱柜車箱式貨物自動(dòng)裝卸機(jī)器人以滿足封閉空間內(nèi)的貨物裝卸要求，提高了物流儲(chǔ)運(yùn)效率，降低人工成本，解決物流末端裝卸貨無(wú)法取代人工這一“卡脖子”難題［2］。

1 研究背景和意義

現(xiàn)代物流業(yè)發(fā)展迅速，已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代物流系統(tǒng)和裝備自動(dòng)化程度不斷提高，有效提高了物流系統(tǒng)的儲(chǔ)運(yùn)效率，但在倉(cāng)儲(chǔ)物流中的箱式貨物—貨箱裝卸環(huán)節(jié)的作業(yè)自動(dòng)化程度仍不高，特別是大批量倉(cāng)儲(chǔ)物流配送中的貨箱還多為人工裝卸，既降低了物流環(huán)節(jié)的效率，又增加了人力成本，還造成整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)物流自動(dòng)化流程中出現(xiàn)作業(yè)不連續(xù)的環(huán)節(jié)。因此，研發(fā)倉(cāng)儲(chǔ)物流中貨箱的自動(dòng)化、智能化裝卸技術(shù)和裝備具有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)加快現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)物流自動(dòng)化程度的提高具有重要意義［3］。

近來，國(guó)外已成功研發(fā)并投入使用貨箱裝卸的自動(dòng)化、智能化裝備，核心技術(shù)主要是機(jī)器人、自動(dòng)化控制、機(jī)器視覺與智能識(shí)別等，主要針對(duì)集裝箱、箱式貨車及貨倉(cāng)進(jìn)行高效無(wú)人化裝卸作業(yè)，可用于小家電、食品、煙酒、乳制品等箱裝貨物。目前，國(guó)內(nèi)還沒有研發(fā)和使用該類自動(dòng)化、智能化裝卸設(shè)備，由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)代化倉(cāng)儲(chǔ)物流配送產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，該類裝備研發(fā)成功將有廣泛的市場(chǎng)需求，能填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)品空白。

2 箱式貨物自動(dòng)裝卸機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱式自動(dòng)裝卸機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示共由4部分組成，分別是轉(zhuǎn)運(yùn)車、隨動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)、大臂機(jī)構(gòu)和小臂機(jī)構(gòu)。小臂機(jī)構(gòu)包括小臂側(cè)板、抓手導(dǎo)向板、輸送帶安裝板、后輸送帶機(jī)構(gòu)、前輸送帶機(jī)構(gòu)和抓手機(jī)構(gòu)；抓手機(jī)構(gòu)包括四連桿機(jī)構(gòu)、吸盤支架以及吸盤；前輸送帶機(jī)構(gòu)和后輸送帶機(jī)構(gòu)之間具有使吸盤能夠落下的吸盤避讓間隙。裝備通過吸盤抓取箱裝貨物的貨箱，利用吸盤移動(dòng)驅(qū)動(dòng)同步帶帶動(dòng)貨箱沿抓手導(dǎo)向板的上表面向后運(yùn)動(dòng)，吸盤運(yùn)動(dòng)至吸盤避讓間隙內(nèi)貨箱的下方，以避讓貨箱［4］。本文裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，占用空間小，承載能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)貨箱的自動(dòng)連續(xù)抓取。

圖1 箱式自動(dòng)裝卸機(jī)器人結(jié)構(gòu)

3 箱式貨物自動(dòng)裝卸機(jī)器人工藝流程、技術(shù)路線

3.1 工藝流程

箱式自動(dòng)裝卸機(jī)器人工藝流程如圖2所示，其工藝部分不屬于本文設(shè)計(jì)的主要部分，只做簡(jiǎn)單說明。

圖2 箱式自動(dòng)裝卸機(jī)器人工藝流程

以集裝箱為例的箱式貨物卸車工藝流程主要包括：首先裝卸小車通過視覺引導(dǎo)定位移動(dòng)到密閉集裝箱合理空間位置；然后通過圖像處理系統(tǒng)獲取集裝箱內(nèi)部貨物碼放的長(zhǎng)寬高等空間布局信息；運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行重新架構(gòu)分析，獲得實(shí)際準(zhǔn)確的三維圖形位置數(shù)據(jù)信息，并將處理好貨物位置數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)得到相應(yīng)位置信息數(shù)據(jù)后，下達(dá)運(yùn)動(dòng)指令給連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)控制聯(lián)合氣動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)前端裝卸貨抓手對(duì)不同位置貨物的抓?。蛔詈罂刂葡到y(tǒng)通過控制前端、中段、末端輸送機(jī)構(gòu)完成貨物的卸貨輸送，并通過各輸送位置的檢測(cè)貨物裝置進(jìn)行貨物流程信息反饋，使該過程與小車定位、裝卸貨抓手動(dòng)作等形成完整的閉環(huán)箱式貨物卸車系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)箱式貨物卸車功能［5］。

3.2 箱式貨物自動(dòng)裝卸機(jī)器人的技術(shù)途徑

(1）上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理及軌跡分析，建立運(yùn)動(dòng)模型，分析吸盤夾具整體上下料的運(yùn)動(dòng)曲線；通過同步帶將單軸轉(zhuǎn)為雙軸輸出，滿足雙輸送機(jī)構(gòu)的同步傳輸。

(2）輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用雙邊張緊調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)輸送帶張緊，提高貨箱輸送速度。

(3）二轉(zhuǎn)動(dòng)自由度差動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用螺旋錐齒輪提高齒輪嚙合精度；實(shí)現(xiàn)抓取小臂的上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)。

(4）九輥輥系全新設(shè)計(jì)伸縮傳送。使皮帶沿固定方向自由伸縮，通過輪系結(jié)構(gòu)原理保持伸縮后的皮帶長(zhǎng)度不變。

(5）空間多連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向的自由度。通過Motion運(yùn)行學(xué)分析，對(duì)整個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，確定能達(dá)到行程范圍內(nèi)空間上的任意一點(diǎn)；通過最終的回歸分析方法，得出整理軌跡的運(yùn)動(dòng)方程式。

(6）車輛及底盤結(jié)構(gòu)方面。通過減震彈簧加阻尼器減震緩沖；通過麥格納母輪控制原理及特定的輪型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛全方位的位移。

(7）視覺及軟件方面。用工業(yè)3D相機(jī)采集圖像，通過卷積視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)圖像重新架構(gòu)分析，獲得準(zhǔn)確的三維立體圖形，經(jīng)過自研算法推算，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝卸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確指引以及目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位引導(dǎo)。

4 技術(shù)關(guān)鍵

裝卸機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)空間七連桿機(jī)構(gòu)，通過輸送長(zhǎng)臂和連接前端的伸縮擺動(dòng)小臂的多自由度結(jié)構(gòu)，在有效行程范圍內(nèi)使小臂前端能夠到達(dá)裝卸作業(yè)空間上的任意位置；研發(fā)機(jī)器視覺系統(tǒng)和空間軌跡控制算法，實(shí)現(xiàn)貨位連續(xù)智能識(shí)別和規(guī)劃，智能控制輸送長(zhǎng)臂和伸縮擺動(dòng)小臂快速精確移動(dòng)定位，完成貨箱裝卸的自動(dòng)化、智能化作業(yè)［6-7］。

5 箱裝貨物自動(dòng)裝卸機(jī)器人的卸貨過程

箱裝貨物自動(dòng)裝卸機(jī)器人為適應(yīng)集裝箱或倉(cāng)庫(kù)內(nèi)貨物的位置變化，宏觀的整體運(yùn)動(dòng)通過麥克納姆輪實(shí)現(xiàn)。

位于前端的小臂機(jī)構(gòu)為適應(yīng)箱裝貨物左右方向的位置以及上下方向的位置變化提供過二自由度關(guān)節(jié)、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及隨動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)協(xié)同動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。以卸貨為例，當(dāng)需要裝卸倉(cāng)庫(kù)或者集裝箱內(nèi)堆疊的箱裝貨物時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)車先運(yùn)動(dòng)到一個(gè)合適的位置，保證小臂機(jī)構(gòu)前端的鏟起斜坡可以運(yùn)動(dòng)到箱裝貨物的貨箱下方，通過第一電動(dòng)氣缸使大臂機(jī)構(gòu)左右擺動(dòng)，通過第二電動(dòng)氣缸和第三電動(dòng)氣缸的協(xié)同動(dòng)作調(diào)整大臂機(jī)構(gòu)的俯仰運(yùn)動(dòng)，隨動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)的活動(dòng)架跟隨大臂機(jī)構(gòu)沿第一滑塊滑動(dòng)。同時(shí)可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)的大臂機(jī)構(gòu)的整體長(zhǎng)度以補(bǔ)償小臂機(jī)構(gòu)三自由度運(yùn)動(dòng)的需求。箱裝貨物被小臂機(jī)構(gòu)最前端的吸盤吸起后依次通過前輸送帶、后輸送帶、雙窄帶、第二輸送帶和第三輸送帶將箱裝貨物運(yùn)出。大臂、小臂機(jī)構(gòu)如圖3、圖4所示。

圖3 大臂機(jī)構(gòu)

圖4 小臂機(jī)構(gòu)

6 結(jié)語(yǔ)

(1）全新設(shè)計(jì)的樣條曲線導(dǎo)軌式上下料機(jī)構(gòu)，自動(dòng)提升貨物到一定高度，采取多個(gè)小口徑吸盤提升帶載能力，采用雙輸送設(shè)計(jì)提高輸送能力，從而滿足20 kg及以下箱式貨物的抓取和輸送。

(2）設(shè)計(jì)七連桿輸送機(jī)構(gòu)、二轉(zhuǎn)動(dòng)自由度差動(dòng)機(jī)構(gòu)及多個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)。七連桿機(jī)構(gòu)連接前端機(jī)械臂輸送機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在行程范圍內(nèi)能夠到達(dá)空間上的任意位置，實(shí)現(xiàn)前端機(jī)械臂連接處關(guān)節(jié)能夠同時(shí)進(jìn)行俯仰及左右轉(zhuǎn)動(dòng)，擴(kuò)大貨箱抓取作業(yè)范圍。同時(shí)可配套多種型號(hào)的前端機(jī)械臂上下料機(jī)構(gòu)。

(3）研發(fā)應(yīng)用3D視覺系統(tǒng)、激光測(cè)距技術(shù)和軟件算法，聯(lián)動(dòng)控制裝卸機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡并進(jìn)行實(shí)時(shí)定位引導(dǎo)，保證貨箱裝卸定位精度，確保貨物精準(zhǔn)運(yùn)送到指定貨位。